山西淺層地溫能開發利用前景分析

馬漢田,喬清海,翟一幟,李春云,呂義清

(1.山西省地質調查院,太原 030003;2.太原市國土資源局,太原 030009;3.北京師范大學,北京 100875;4.太原理工大學 地震與地質災害防治研究所,太原 030024)

1 概述

淺層地溫能是蘊藏在地表以下一定深度范圍內巖土體、地下水和地表水中具有開發利用價值的熱能;是指通過地源熱泵換熱技術利用的蘊藏在地表以下200m以內,溫度低于25℃的熱能;是一種分布廣泛,儲量巨大,可再生且可循環使用,清潔環保,利用前景廣泛的新型環保能源[1]。山西地域遼闊,僅六大盆地平原區面積就達3萬多km2,且是山西人口集中、經濟較發達地區,具備淺層地溫能開發和利用的條件,但目前山西淺層地溫能的調查評價范圍小,精度低,開發利用的程序低,因此,推進淺層地溫能的調查評價和開發利用,對山西構建資源節約型和環境友好性社會、保障山西能源安全、改善我省現有能源結構、實現我省經濟、社會與生態環境協調、可持續發展,促進我省節能減排戰略目標的實現具有重要的意義。

2 山西淺層地溫能調查評價、開發利用現狀

2.1 山西淺層地溫能調查評價現狀

自2011年以來,在中央和地方財政的支持下,我省相繼開展了淺層地溫能調查評價工作。目前,已完成的淺層地溫能調查評價項目有3個,主要為2011年至2013年中國地質調查局部署開展“太原市淺層地溫能調查評價”和山西省國土資源廳部署“山西省六大盆地重點地區淺層地溫能調查評價”工作;2014年至2015年,中國地質調查局部署開展“山西省主要城市淺層地溫能開發區1:5萬水文地質調查”工作。以上項目部署在太原市、大同市、朔州市、忻州市、晉中市、臨汾市、運城市、長治市8個主要城市規劃的中心城區;面積4 317 km2。以上工作開展,查明淺層地溫能分布特點和賦存條件,評價淺層地溫資源量及開發利用潛力,編制淺層地溫能開發利用適宜性區劃,為山西省淺層地溫能合理開發利用和保護提供依據。

正在進行的項目有兩個,分別是:2016年山西省地勘局部署安排山西省淺層地溫能適宜區選區調查項目,工期2 a;2017年山西省國土資源廳部署山西省太原盆地城鎮密集區淺層地溫能調查評價項目,工作區范圍為交城、清徐、太谷、祁縣、文水、平遙、汾陽、孝義、介休九個縣市的平原區。面積3 351 km2。

2.2 山西淺層地溫能開發利用現狀

山西省煤炭資源豐富,煤炭資源在能源消費中占有很大比例,長期以來,包括淺層地溫能在內的可再生能源開發利用推廣緩慢,產業規模和市場規模均很小。根據山西省發改委和住建廳統計資料,截止2014年底,山西省(僅統計以下8地市)應用淺層地溫能供暖制冷的建筑物面積約359.8萬 m2。其中地埋管地源熱泵面積200.3萬 m2,占總面積的55.7%;地下水地源熱泵面積151.5萬 m2,占總面積的42.1%;其他利用方式(污水源熱泵)面積8.0萬 m2,應用面積占總面積2.2%。各市利用情況如表1所示。

表1 山西各市淺層地溫能開發利用面積Table 1 Development areas of shallow geothermal energy in major cities, Shanxi Province

2.3 山西淺層地溫能調查研究、開發利用存在問題

根據調查,在淺層地溫能開發利用過程中,山西淺層地溫能研究、開發利用主要存在以下問題:

1)起步晚,發展慢,空調面積小。淺層地溫能開發利用工程是從上世紀90年代進駐山西,90年代之后,淺層地溫能開發利用工程有較快發展,但與發展較快的城市相比還是有很大差距,空調面積較小。

2)宣傳力度不夠,認識不到位。淺層地溫能科普知識的宣傳力度不夠,沒能讓社會公眾充分認識利用淺層地溫能資源對促進經濟發展、節能減排、保護環境的重要意義,全社會沒有自覺利用淺層地溫能資源的意識和節約能源的責任感、使命感,從而制約淺層地溫能開發利用事業的發展。

3)調查研究滯后,資源家底不清。山西適宜淺層地溫能開發利用的區域較大,目前僅調查評價的區域僅3351km2,大部分的區域沒有開展調查研究,資源家底不清,缺乏科學的總體規劃,不能有效指導開發和利用。造成對淺層地溫能開發利用都是憑需要而定,開發利用不規范,開發活動混亂。

4)項目前期未進行淺層地溫能資源勘查。山西省大部分淺層地溫能工程僅參照已有地源熱泵工程的經驗進行設計,沒進行工程場地的淺層地溫能資源勘查,造成工程建成后產生諸多問題。據了解淺層地溫能開發過程中實施回灌等保護措施的還很少,需要在評價的基礎上進行合理的回灌。

5)缺乏對淺層地溫能開發利用的地質環境監測。據本次調查資料,山西省建成的淺層地溫能開發利用工程均無建立系統運行地質環境影響監測體系,缺少對系統中溫度、水位、水質等的動態變化的監測,無法評價淺層地溫能開發對地質環境的影響。

6)缺乏相關政策支持。國內業已開展淺層地溫能資源開發的省市均在財政補貼、示范工程推廣等方面給予了很大地支持,山西省在此方面缺乏必要地重視與資金和政策上的支持,造成山西省淺層地溫能資源開發工作發展滯后。

3 山西淺層地溫能的開發利用潛力及效益分析

山西淺層地溫能開發利用潛力巨大,現僅對開展工作的8個地級城市城市的資源潛力和效益分析如下:

3.1 潛力分析

依據已開展項目資料,僅對山西8個地級城市城市建設規劃區,在考慮建筑布局等因素,土地利用系數在城市土地利用系數的基礎上再乘以折減系數,地下水與地埋管重合區域按照地下水1/3、地埋管2/3比例進行資源分析。

全省8個地級城市城市建設規劃區地埋管的適宜、較適宜區面積約3906.79 km2,夏季淺層地溫能可利用總量為4.36×1014kJ,可提供空調面積約1.20×109m2,平均單位制冷面積為3.071×105m2/km2。冬季淺層地溫能可利用總量為4.42×1014kJ,可提供空調面積約6.50×108m2,平均單位制冷面積為1.664×105m2/km2。地下水的適宜、較適宜區面積約557.108 km2,夏季淺層地溫能可利用總量為為1.452×1013kJ,可提供空調面積約3.414×107m2,平均單位制冷面積為6.128×104m2/km2。冬季淺層地溫能可利用總量為為1.327×1013kJ,可提供空調面積約1.908×107m2,平均單位制冷面積為3.425×104m2/km2,詳見表2、表3。

目前山西應用淺層地溫能供暖制冷的建筑物面積約359.8萬 m2,由此可見,淺層地溫能的推廣應用有巨大的資源保障價值。

表2 地埋管淺層地溫能潛力評價計算成果表Table 2 Potential evaluation of the shallow geothermal energy with buried pipe

表3 地下水淺層地溫能潛力評價計算成果表Table 3 Potential evaluation of the shallow geothermal energy of groundwater

3.2 效益分析

3.2.1 經濟效益分析

按熱能有效利用率80%;熱量7 000 kcal/kg;鍋爐熱效率80%;燃煤價格700元/t;淺層地溫能可利用系數取30%計算熱資源價值。計算結果:全省8個主要城市淺層地溫能可利用總能量為8.697×1014kJ。其中,夏季地下水、地埋管地源熱泵系統的交換量為4.803×1014kJ;冬季地下水、地埋管地源熱泵系統的交換量為3.894×1014kJ。淺層地溫能資源價值達62.424億元。其中夏季可制冷資源價值達34.475億元,冬季可供暖資源價值達27.945億元。各地市資源價值如表4所示。

表4 淺層地溫能開發利用經濟效益統計表Table 4 Statistics of economic benefits of shallow geothermal energy development

由此可見,淺層地溫能每年可提供的資源價值相當可觀,可充分加以開發利用。

3.2.2 社會效益分析

淺層地溫能的開發利用除節約能源外,另一主要貢獻就是降低溫室氣體CO2的排放,減少煙塵、煤渣、SO2、NOx的排放,對緩解氣候變暖及減少環境污染具有一定的作用。在此,僅從淺層地溫能開發利用節約燃燒原煤量,相當節約標煤量,減少二氧化硫、氮氧化物、二氧化碳、懸浮質粉塵、灰渣排放量和節省的環境治理費等項目分析。根據計算,年替代燃燒原煤量為6.924×1010kg,年替代標煤量為4.946×1010kg,年有效節約標煤量為1.731×1010kg,年減少二氧化硫排放量為2.943×108kg,年減少氮氧化物排放量為1.039×108kg,年減少二氧化碳排放量為4.130×1010kg,年減少懸浮質粉塵排放量為1.385×108kg,年減少灰渣排放量為1.731×109kg, 年節省的環境治理費為4.883×109元(計算結果如表5所示)。

表5 山西省主要城市淺層地溫能開發利用社會效益分析計算匯總表Table 5 Social benefits analysis on the shallow geothermal energy development in major cities in Shanxi Province

4 結論

1)山西淺層地溫能調查評價的范圍小、精度較低,加強淺層地溫能的調查評價工作,摸清山西淺層地溫能家底,統籌科學規劃,對有效指導開發和利用具有重要意義。

2)山西淺層地溫能資源豐富,資源價值可觀,充分利用淺層地溫能資源對促進山西經濟轉型發展、節能減排、保護環境具有十分重要意義。

3)加強淺層地溫能科普知識宣傳力度,提高社會公眾對淺層地溫能的認識,自覺利用淺層地溫能資源,從而推動淺層地溫能開發利用事業的發展,實現山西轉型發展目標。

4)政府應該增強對淺層地溫能資源開發工作的重視程度,技術層面上應積極開展淺層地溫能資源勘查利用試點和示范工程工作,政策層面上應為推動山西省淺層地溫能資源開發利用管理給予資金與政策上的支持。

[1] 衛萬順,鄭桂森,冉偉彥,等.淺層地溫能資源評價[M].北京:中國大地出版社,2010.

[2] 馬漢田,黃存寶,白雪峰,等.2013太原市淺層地溫能調查評價報告[R].太原:山西省地質調查院,2013.

[3] 張海永,黃虎城,田金偉,等.2015太原市淺層地溫能調查評價報告[R].太原:山西省地質調查院,2015.